单片机智能电能表设计.docx
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单片机智能电能表设计.docx
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单片机智能电能表设计
基于MSP430的智能电能表设计
摘要
基于炬力公司的高精度电能计量芯片ATT7022B,本文以超低功耗单片机MSP430F149为控制器,设计了一款三相多功能电能表。
该电表围绕DL/T614-2007《多功能电能表》的技术要求和功能规X进行了设计。
文中详细介绍了该多功能电能表的软硬件设计方案。
Thispapertookultralow-powerconsumptionMCUMSP430F149asacontroller,designedathree-phasemulti-functionmeterbasedonthehigh-precisionenergymeasurementICATT7022BfromJuLipany.ThismeterdesignedwiththetechnicalrequirementsandfunctionalspecificationsofDL/T614-200《Multi-functionMeter》.Thepaperintroducesthehardwareandsoftwaredesignofthemulti-functionmeterindetail.
引言
随着我国电力事业的蓬勃发展和人民群众生活水平的不断提高,电力已成为人们生活、工作中必不缺少的组成部分。
并且,用电的高峰和低谷存在的较大差距,对传统的供电和用电管理系统提出了更高的要求。
国家陆续提出了建设智能电网实现现代化供用电的管理方法,包括电能表具有阶梯电价和自动远程抄表功能。
随着电子技术的发展,电子式电能表以其高精确度、高可靠性和容易调校等优点逐渐取代了传统的机械式电能表。
目前,电子式电能表正朝着复费率、多功能的方向发展,如:
智能电表、费控电表及多功能电表等。
随着居民用户电表数量的增加,人工抄表已经无法满足电力系统的管理和服务的需求。
人工抄表的工作越来越繁重,效率低、误差大、成本高,数据的统计分析准确率低且滞后,无法实现实时抄表、分时计费、实时监测供用电情况。
电力系统迫切需要电力网络技术支持,以便及时准确的获得用电管理、收费管理、供用电线损统计、分析及电力安全运行等各方面的信息。
为了满足电力部门对电力网络信息系统的要求,现时段研究电能管理与自动抄表系统,可为智能电网的建设奠定良好的基础。
1.系统方案与论证
1.1电参量采集方案对比
方案一采用多通道数据采集+CPU运算处理
本方案采用传统的数据采集方案,将三相电压、三相电流信号通过分时较高频率的采样后,经12位以上的A/D转换芯片变成数字量送给MCU,MCU测量各相电压与电流之间的相位差,再通过功率、电能数学公式的大量乘加计算,从而得到系统要求的各种电参数。
经网上查询,这种方案约15年前在设计较为简单的电子式电能表中得到过应用,但电路原理极其复杂,MCU运算量十分庞大,性能不高,造价却很高。
方案二采用智能电能计量芯片
与传统的电参数采集处理方法相比,智能电能计量芯片具有专用性极高、价格低廉等显著优点,采用智能电能计量芯片作为电能表的核心元件是目前电能表行业的标准设计方法。
MCU只需通过SPI串行接口把电参数从该芯片中读出,再经简单处理即可完成操作,这大大减轻了MCU的负担。
该方案具有成本低廉、性能优越、外围电路简单、调试简单等优点。
本设计选用方案二,以TI公司的MSP430F149单片机为控制器,炬力公司的ATT7022B为电能计量芯片,控制器通过SPI总线与ATT7022B进行通信,获取电能、功率等相关参数。
同时系统还包括时钟、通信及LCD显示等外围电路。
电能表主要功能特点如下:
1)测量、记录并显示电能表的总及各分相电压、电流、功率以及功率因数等参数;
2)支持分时计量功能,可实现多时段复费率计费功能;
3)支持广播校时功能,可以自动完成时钟的调校,保证计费的精确度;
4)具有485、红外通信接口,方便实现远程抄表、远程调校及手持抄表等功能;
5)具有停电抄表、失压、失流及断相监测功能;
6)具有多功能测试接口,可输出日记时误差信号、电能脉冲信号等;
7)充分利用MSP430单片机的低功耗特性,实现了三相断相情况下可长时间正常运行的要求。
1.2系统设计
根据功能要求,设计了如下的整体方案:
系统包括三相多功能智能电表、红外遥控抄表器以及上位机抄表软件。
系统结构框图如图1所示。
图1系统结构框图
红外遥控抄表器通过红外通信的方式完成对电能表内数据的抄取,通过RS485总线与电能表通信,实现对电能表的监测。
电能表主要由电能计量单元、电源管理、微控制器、通信单元、时钟、显示模块、报警模块、广播校时模块等组成,系统结构框图如图2所示,
图2电能表系统结构框图
1、互感器完成大电压和大电流信号到小电流信号的转换。
2、电能计量模块采集互感器转换的电流信号,完成对电能的计量。
3、电能管理模块为系统提供3V、5V电源,并且完成对时钟电池和系统后备电池的充电管理。
4、显示模块完成对相关数据的显示。
5、报警模块主要完成断相、失压、电池欠压等报警功能。
6、通信模块包括红外和485通信两部分,提供了红外收发和RS485两种通信接口,辅助完成实现远程抄表、手持抄表等功能。
7、广播校时模块通过接收中国人民广播电台的整点报时信号,完成对内部时钟的校准。
8、时钟模块为系统提供一个准确的时间,辅助完成分时计量功能。
2.系统硬件设计
2.1微控制器
系统主控制器选用了MSP430F149单片机,该芯片是一种超低功耗微处理器,采用精简指令集结构,内部具有ESD保护,抗干扰能力强。
同时,MSP430F149采用16位总线,寻址X围可达64K,片内集成有1个硬件乘法器、2个16位定时器、2路USART、48个I/O口等丰富资源。
凭借高可靠性和超低功耗的特点,MSP430系列单片机被广泛应用于电子产品的设计开发。
2.2电源模块
整个系统需要两个等级的电压:
5V、3V。
电源模块的结构框图如图3所示。
图3电源模块结构框图
为满足国标中提出的“三相三线断一相、三相四线断两相时,电能表能正常工作”的要求,本系统电源采用了今升阳科技研发的LO10-26D0512-04型三相四线制电表专用开关电源。
该电源模块具有超宽输入X围:
65~460VAC/90~650VDC,具有输出过流、短路、过压保护功能,具有输入欠压、过压关断保护,效率可高达78%,+5V输出。
为满足国标“断电后应保持内部时钟正确工作时间累计不少于5年”和“备用时钟电源容量≥1.2Ah”的要求,本设计采用1500mAh的环保型锂离子电池。
该电池额定电压为3.7V,最高电压为4.2V。
本设计选用的时钟芯片PCF8563正常工作电压为1.0V~5.5V,该锂电池可直接为PCF8563供电。
如图4所示,本设计采用TI公司研发的BQ24202型锂离子充电管理芯片对锂电池进行管理。
BQ24202是单片式锂电池充电管理芯片,内部集成最大电流可达500mA的powerFET,具有充电状态指示功能。
BQ24202体积小、功耗低、外围电路简单,使用十分方便,是一款非常好的锂电池充电管理芯片。
图4锂电池充电电路及3V电源
由于锂电池的额定电压为3.7V,考虑到断电后需继续提供3V电源,并且为了最大程度的利用锂电池电量,本设计选用了TI研发的一款低压差线性稳压电源TLV70230。
TLV70230具有非常低的跌落电压,其输出电流为300mA时,跌落电压仅为200mV。
TLV70230输出+3V电源,可在外部线路断电后为CPU、LCD、红外抄表、报警电路、JTAG、BSL等供电。
系统+3V电源电路如图4所示。
为实现RS485接口与电能表内部电路的电气隔离,本设计使用了B0505LM型隔离式DC-DC电源模块及光耦PC817。
B0505LM输出的5V电源单独为485通信电路供电。
另外,广播校时和电能计量部分直接由开关电源输出的5V电源供电。
2.3电能计量
专用电能计量芯片以电路简单、精度高、编程方便、简化电表结构等多种优势,目前已经成为电子式电能表设计的基本思路。
目前国内常用的电能计量芯片有美国ADI公司的ADE775X系列、XX炬力公司的ATT7022X系列等。
ADE775X计量芯片可提供各分相参数,但不提供功率因数、相角及合相电能等参数;而ATT7022X可以提供详细的电能参数。
根据多功能电能表的设计要求,系统采用炬力公司高精度的三相电能专用计量芯片ATT7022B。
该芯片适用于三相三线和三相四线制应用,集成了7路二阶Σ-ΔADC、参考电压电路以及功率、能量、有效值、功率因数和频率测量等数字信号处理电路,充分满足了三相多功能电能表的设计需求,其外围电路如图5所示。
图5ATT7022B计量电路
通过将SEL引脚拉高,使ATT7022B工作于三相四线制计量方式;同时,利用CFx引脚输出有功和无功脉冲,进行校表;电路采用6路测量通道,分别对三相电压、三相电流进行采样,并实时监测失压、失流及断相等异常运行状态。
在电压电流采样电路中,系统采用互感器接入方式,通过电流型电压互感器将电压信号转化为电流信号,再经电阻转化为电压信号,同时用电流互感器获得电流信号,经电阻转化为电压信号。
每相的电压、电流采样电路如图6所示。
图6电压、电流采样电路
由于ATT7022B的电压通道对应的ADC的输入为0.5V、电流通道的ADC输入为0.1V左右时精度最高,故针对不同的额定工作值,可通过改变互感器变比、互感器二次侧的并联电阻值或ATT7022B的电压放大倍数等,使ATT7022B进入最佳的计量状态。
图6中,针对额定电压220V、额定电流1A的工作条件,电压采样电路选用1:
1的电流型电压互感器,通过在互感器一次侧串联110KΩ的电阻,并在互感器二次侧并联240Ω的电阻,使电压采样信号在0.5V左右;电流采样电路选用1A/1mA的电流互感器和100Ω的并联电阻,使电流采样信号在0.1V左右。
实际运行中,通过监测采样电压、电流的大小,并改变ATT7022B的电压放大倍数使其工作在最佳计量状态。
2.4通信
针对电能表的手持抄表功能的需要,系统引入红外通信方式。
与其它通信方式一样,红外通信容易受到环境条件的干扰,其干扰源主要是白炽灯光与太阳光。
而采用高发射功率的红外发射管及使用带有滤光器的接收器可以大大提高通信的抗干扰能力。
设计中,选用高效率的TSAL6200作为发射管,一体化红外接收器HS0038作为接收管。
其中,TSAL6200的光功率达35mW,能有效增强红外通信的抗干扰能力;HS0038接收器将光敏二极管、前置放大器和解调器封装为一体,具有接收红外信号、内置信号放大、38KHz滤波、波形检测输出的作用。
发送电路中,控制器的输出信号与38KHz调制信号经74HC02调制并反相,调制输出信号再经9013反相后驱动发射管TSAL6200。
其中调制信号由38KHz晶振通过计数器CD4060产生。
接收电路中,HS0038的输出信号直接送入控制器接收引脚。
目前,远程抄表正逐渐成为主流抄表方式,为使系统具备远程抄表及远程调校功能,设计采用差分数据收发器SN75LBC184构成RS485通信电路。
相比MAX485收发芯片,SN75LBC184内置高能量瞬变噪声保护装置,显著提高了抵抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性;同时,SN75LBC184允许在总线上挂接64个设备,而MAX485只允许挂接32个设备。
在RS485通信电路中,控制器通过光电耦合器用的PC817与SN75LBC184接口,有效地隔离了通信电路中的干扰,同时实现了微控制器与SN75LBC184之间的电平转换。
2.5广播校时
为保证时钟芯片计时准确,系统引入广播校时功能以完成自动校时。
如图9所示,
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